plik

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/97

Do czego to służy?

Poniższy artykuł opisuje prosty spo−

sób  wykonania  małej  chłodziarki  z uży−
ciem arcyciekawego i owianego mgłą ta−
jemniczości elementu − modułu Peltiera.
Przedstawione  podstawowe  informacje
umożliwią  wykorzystanie  modułów  Pel−
tiera  do  wielu  ciekawych  celów.  W na−
stępnym numerze EdW moduły Peltiera
zostaną  przystępnie  i wyczerpująco  opi−
sane w dziale Klub Konstruktorów, a fir−
ma  SEMICON  udostępni  Czytelnikom
EdW kilka takich modułów.

Ogólnie rzecz biorąc, moduły Peltiera

stosowane  są  do  budowy  urządzeń
chłodniczych  małej  mocy.  Na  fotografii
wstępnej  pokazano  chłodziarkę  (do  pi−
wa)  zbudowaną  z użyciem  takiego  mo−
dułu.

Zastosowanie modułów Peltiera po−

zwala  zbudować  wiele  ciekawych  urzą−
dzeń, na przykład tak zwaną komorę kli−
matyczną,  służącą  do  badania  wpływu
temperatury  na  urządzenia  elektronicz−
ne,  turystycznej  chłodziarki  (chłodziarki
takie dostępne są w handlu jako tak zwa−
ne chłodziarki samochodowe), czy kalib−
ratora  utrzymującego  dokładnie  tempe−
raturę  0°C,  służącego  do  sprawdzania
i kalibrowania termometrów.

Jak to działa?

Sercem chłodziarki jest moduł Peltie−

ra, zwany też ogniwem lub elementem
Peltiera.

Moduł Peltiera to zespół dwóch pły−

tek  ceramicznych,  pomiędzy  którymi
umieszczono  kilkadziesiąt  lub  kilkaset
“słupków”.  Fotografia  takiego  modułu
zamieszczona jest niżej.

Osoby dociekliwe znajdą szczegóło−

wy opis i zasadę działania elementów
Peltiera w następnym numerze EdW.
Ale do praktycznego wykorzystania mo−
dułu naprawdę wystarczy tylko kilka pod−
stawowych informacji − wszystkie poda−
ne są w niniejszym artykule.

Moduły TM−127−1,4−6,0 o wymiarach

40  x 40  x 3,51mm,  dostępne  w firmie
SEMICON  oraz  w sieci  handlowej  AVT,
przystosowane są do pracy przy napięciu
2...15V.  Rezystancja  wynosi  około  2

a maksymalny prąd pracy sięga 6A. Mo−
duł musi być zasilany dobrze filtrowa−
nym napięciem − niekoniecznie stabilizo−
wanym, ale filtrowanym − bez tętnień

(tętnienia nie powinny być większe niż
kilkaset miliwoltów).

Przy przepływie prądu jedna strona

modułu  jest  chłodzona  − pochłania  ciep−
ło.  Na  drugiej  stronie  modułu  wydziela
się  zarówno  to  pochłonięte  ciepło,  jak
też  ciepło  wynikające  ze  strat  wskutek
przepływu  prądu  przez  rezystancję  mo−
dułu (P=U

I). Ilustruje to rysunek 1a

rysunek 1a

rysunek 1a.

Przy zmianie kierunku prądu, tran−

sport  ciepła  następuje  w drugą  stronę  −
dotychczasowa  strona  zimna  staje  się
stroną  gorącą  i na  odwrót  − ilustruje  to
rysunek  1b

rysunek 1b

rysunek 1b.

Element Peltiera może więc wytwo−

rzyć różnicę temperatur między swoimi
dwiema stronami.

Czym większy prąd przepływający

przez  moduł,  tym  większy  transport
ciepła (i można osiągnąć większą różnicę
temperatur).  Maksymalną  możliwą  do
uzyskania  różnicą  temperatur  obu  stron
modułu jest 60...70°C. Ale ze wzrostem
prądu jednocześnie znacznie rośnie ilość
ciepła  wydzielanego  na  stronie  gorącej.

Oczywiście powoduje to wzrost tempe−
ratury tej strony.

Nie wdając się w szczegóły można

powiedzieć, że czym wyższa temperatu−
ra strony gorącej, tym mniejsze możli−
wości chłodzące strony zimnej, bo mak−
symalna możliwa do uzyskania różnica
temperatur wynosi (tylko) 60...70°C.

A teraz sprawa najważniejsza: dla

uzyskania  sensownego  efektu  chłodzą−
cego  należy  skutecznie  odbierać  ciepło
ze strony gorącej. Jeśli radiator zastoso−
wany  na  stronie  gorącej  będzie  bardzo
dobry − na przykład chłodzony zimną wo−
dą  o temperaturze  10...12°C,  wtedy  po
stronie zimnej można uzyskać w sposób
ciągły temperaturę znacznie poniżej 0°C.
Z kolei  jeśli  ten  radiator  będzie  mało
efektywny,  temperatura  gorącej  strony
modułu

będzie

wysoka,

sięgająca

+100°C i efekt chłodzenia wcale nie wy−
stąpi! Mało tego, po przekroczeniu tem−
peratury +136°C wewnętrzne połączenia
lutowane modułu mogą się rozlutować,
i moduł ulegnie uszkodzeniu.

Chłodziarka
do piwa

Ogniwo Peltiera.

Rys. 1. Zasada działania modułu Peltiera.

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 6/97

Jak z tego widać, kluczem do sukce−

su jest zastosowanie dobrego radiatora
na stronie gorącej.

Montaż i uruchomienie

Schemat ideowy chłodziarki pokazano

na rysunku 2

rysunku 2

rysunku 2. Nie wymaga on komenta−

rza.

Układ zasilany jest z akumulatora sa−

mochodowego 12V lub odpowiedniego
zasilacza.

W modelu na stronie zimnej modułu

Peltiera (na rysunku − prawa strona,
w modelu − górna) umieszczony jest pół−
litrowy aluminiowy garnuszek.

Jak

wspomniano,

o skuteczności

chłodzenia decyduje temperatura strony
gorącej, a więc w sumie właściwości ra−
diatora.  Należy  zastosować  jak  najsku−
teczniejszy  radiator.  Najlepiej,  gdyby  to
był radiator z chłodzeniem wodnym. Po−
nieważ wykonanie i użytkowanie takiego
radiatora  jest  kłopotliwe,  można  wyko−
rzystać jak największy radiator z chłodze−
niem powietrznym, wymuszonym za po−
mocą wentylatora.

Zastosowany wentylator powinien

naprawdę mocno dmuchać powietrze na
radiator − od wydajności wentylatora
i szybkości przepływu powietrza radykal−
nie zależy ostateczny efekt chłodzenia.

Drugą ważną sprawą praktyczną jest

izolacja  cieplna  obiektu  chłodzonego.
Przecież obiekt jest z jednej strony chło−
dzony przez moduł Peltiera, ale z drugiej
strony cały czas nagrzewa się od otocze−
nia.  Należy  więc  minimalizować  przeni−
kanie  ciepła  z otoczenia  przez  zastoso−
wanie  izolacji  cieplnej.  Właśnie  dlatego
w modelu  garnuszek  jest  izolowany
z boku warstwą styropianu z folią alumi−
niową.  Taki  cienki  styropian  z folią  jest
stosowany w budownictwie − umieszcza
się go na ścianie za grzejnikiem.

Przeprowadzone próby wykazały, że

egzemplarz

modelowy

wyposażony

w wentylator od komputera o niezbyt
mocnym ciągu, może schłodzić 0,5 litra

wody do temperatury około +12°C w cią−
gu  mniej  więcej  pół  do  jednej  godziny.
Jak widać, jest to wynik nie należący do
rewelacyjnych,  ale  uzasadniający  wyko−
rzystanie  urządzenia  do  schłodzenia  na
przykład puszki piwa.

Przy ewentualnych próbach z radiato−

rem chłodzonym powietrzem należy roz−
ważyć możliwość włączenia w szereg
z modułem Peltiera rezystora 0,22...2

i odpowiedniej  mocy.  Takie  zmniejsze−
nie prądu może, wbrew pozorom, polep−
szyć  skuteczność  chłodzenia,  ponieważ
zmniejszy  się  ilość  ciepła  wydzielanego
na stronie gorącej.

Uwaga! Ze względu na specyficzne

właściwości modułu Peltiera, do jego za−
silania  konieczne  jest  dobrze  filtrowane
napięcie  stałe.  W związku  z tym,  do  re−
gulacji  prądu  trzeba  użyć  rezystora  lub
stabilizatora liniowego, a nie wolno uży−
wać żadnych układów regulacyjnych da−
jących  na  obciążeniu  przebieg  impulso−
wy  (takie  impulsowe  regulatory  stoso−
wane są w samochodach do zmniejsza−
nia jasności świecenia żarówek).

Uwagi końcowe

Z praktyki wiadomo, że taka chłodziar−

ka  będzie  zasilana  z akumulatora  12V
i wykorzystywana  w terenie  −    na  przy−
kład  na  pikniku  nad  wodą.  W domu  do
chłodzenia piwa wykorzystamy lodówkę.

Inną dziedziną zastosowań będą naj−

różniejsze

układy

eksperymentalne,

w tym małe komory termiczne, czy kli−
matyczne.

Przy budowie jakiegokolwiek urządze−

nia z modułem Peltiera należy zwracać
jak największą uwagę na skuteczność
chłodzenia strony gorącej oraz minimali−
zację nagrzewania strony zimnej od oto−
czenia. Należy w tym miejscu przestrzec
wszystkich zainteresowanych, że zbaga−

telizowanie tych kwestii przyniesie roz−
czarowanie i efekt będzie niewspółmier−
ny do kosztów, albo wręcz żaden.

Radykalną

poprawę

skuteczności

uzyskuje się przy zastosowaniu radiatora
chłodzonego bieżącą zimną wodą. Warto
się zastanowić, czy nie byłoby dobrym
rozwiązaniem wykonanie chłodziarki tak,
by po odłączeniu wentylatora można by−
ło zanurzyć radiator w wodzie (jeziora)?

Próby przeprowadzone w domu wy−

kazały, że przy chłodzeniu radiatora wo−
dą z kranu (o temperaturze około +17°C)
schłodzenie  w garnuszku  pół  litra  wody
od  temperatury  +26°C  do  +10°C  nastę−
powało  w ciągu  niecałych  20  minut,
a uzyskana  minimalna  temperatura  wo−
dy wyniosła po godzinie +2°C.

Przeszkodą w dalszym obniżaniu tem−

peratury było tworzenie się na dnie gar−
nuszka warstwy lodu, który jak wiadomo
niezbyt dobrze przewodzi ciepło (zobacz
fotografia obok).

Trzeba przyznać, że skuteczność urzą−

dzenia przy chłodzeniu radiatora powiet−
rzem  nie  jest  zachwycająca,  a w przy−
padku  słabego  wentylatora  − wręcz  żad−
na.  Natomiast  przy  chłodzeniu  wodnym
i dobrej izolacji obiektu chłodzonego wy−
niki są bardzo dobre, wręcz rewelacyjne
i zachęcają  do  prób,  eksperymentów
i praktycznego wykorzystania tego atrak−
cyjnego i mało znanego elementu.

Dodatkowe informacje o modułach

Peltiera  ukażą  się  w Klubie  Konstrukto−
rów za miesiąc. Ponieważ w ramach Klu−
bu  zostanie  bezpłatnie  rozdanych  tylko
kilka  takich  elementów,  wiele  osób  ze−
chce zakupić je już teraz.

Moduły typu TM−127−1,4−6,0 można

zakupić w sklepie GA Elektronik − Wolu−
men, pawilon 70a, oraz w sieci handlo−
wej AVT (także wysyłkowo).

Zbigniew Orłowski

Rys. 2. Schemat ideowy chłodziarki.

Próby z chłodzeniem wodnym.